Теоретические положения. Сегнетоэлектриками называют материалы, обладающие спонтанной (самопроизвольной) поляризацией

Сегнетоэлектриками называют материалы, обладающие спонтанной (самопроизвольной) поляризацией. Для этого вида диэлектриков характерно наличие в микроструктуре областей, имеющих электрический момент, не равный нулю и называемый доменом. Величина этого момента высока по сравнению с другими видами поляризации. Если сегнетоэлектрик не находится в электрическом поле, то его электрический момент равен нулю. Под действием внешнего электрического поля происходит движение границ, ориентация доменов в направлении электрического поля и появляется электрический момент у всего образца в целом. При этом значительная часть энергии электрического поля расходуется на преодоление энергетических барьеров, создаваемых граничными областями, вследствие чего у вещества со спонтанной поляризацией относительно велики диэлектрические потери.

В достаточно слабых полях поляризация линейно зависит от напряженности поля Е (рисунок 3.1, участок ОА).

При некоторой напряженности, соответствующей точке В, все домены ориентированы в направлении электрического поля, то есть достигается состояние насыщения.

Кривую ОАВС называют начальной кривой заряда. Если после установления максимальной напряженности электрического поля уменьшить его величину, то поляризация будет изменяться по кривой СД. При напряженности поля, равной нулю, сегнетоэлектрик остается поляризованным. Дальнейшее увеличение напряженности электрического поля приводит к повторению аналогичных изменений в отрицательной области. Таким образом, зависимость поляризации от напряженности электрического поля описывается кривой СДFLHG, называемой петлей гистерезиса.

Рис. 3.1. Петля гистерезиса сегнетоэлектрика

Поведение сегнетоэлектрика в электрическом поле можно охарактеризовать следующими параметрами:

1. Статическая емкость:

C_ст = ,

где Q_а – амплитудное значение заряда; U_а – амплитуда напряжения.

2. Остаточный заряд Q_r, определенный при уменьшении внешнего электрического поля от максимального значения до нулевого.

3. Коэрцитивная сила E_r, определяемая как величина напряженности электрического поля в момент равенства нулю заряда конденсатора.

4. Потери энергии на поляризацию образца, определяемые с помощью петли гистерезиса, поскольку площадь петли в координатах заряд-напряжение пропорциональна энергии.

Свойства сегнетоэлектриков исследуются на установке, фотография которой приведена на рисунке 3.2, а принципиальная схема − на рисунке 3.3.

Рис. 3.2. Установка для исследования сегнетоэлектриков

Установка состоит из электронного осциллографа (ЭО) и стенда, который в свою очередь содержит автотрансформатор (АТ_р), два цифровых мультиметра M890G, сегенетоэлектрик (С_х), нагревательный элемент типа ПЭВ.